JP5907342B2 - Vibrating transducer and method for manufacturing the vibrating transducer - Google Patents

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Description

本発明は、伝送器等に使用される振動式トランスデューサおよびトランスデューサの製造方法に関する。   The present invention relates to a vibratory transducer used for a transmitter or the like and a method for manufacturing the transducer.

振動式トランスデューサは、シリコン基板上に形成された振動子の共振周波数の変化を検出することにより印加された物理量を測定する。振動式トランスデューサは、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、共振器等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスとして伝送器等において広く用いられている。   The vibration type transducer measures the applied physical quantity by detecting a change in the resonance frequency of the vibrator formed on the silicon substrate. Vibrating transducers are widely used in transmitters and the like as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices such as pressure sensors, acceleration sensors, angular velocity sensors, and resonators.

図17は、従来の振動式トランスデューサの構造を説明する断面図である。本図は、振動式トランスデューサを振動式圧力センサに適用した場合の例である。本図に示すように振動式圧力センサ300は、ダイアフラム311が形成されたシリコン基板310に振動子320が形成され、シェル330により覆われている。シェル330内は、振動子320の機械的Q値を高くするために真空度の高い真空室340となっており、酸化膜による封止部材350によって封止されている。   FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the structure of a conventional vibration transducer. This figure is an example when the vibration type transducer is applied to a vibration type pressure sensor. As shown in this figure, in the vibration type pressure sensor 300, a vibrator 320 is formed on a silicon substrate 310 on which a diaphragm 311 is formed, and is covered with a shell 330. The inside of the shell 330 is a vacuum chamber 340 having a high degree of vacuum in order to increase the mechanical Q value of the vibrator 320 and is sealed by a sealing member 350 made of an oxide film.

従来の振動式圧力センサ300は、振動子320と、振動子320を囲む真空室340を多層膜によって形成している。図18および図19は、従来の振動式圧力センサ300の製造工程を示している。   In the conventional vibration pressure sensor 300, the vibrator 320 and the vacuum chamber 340 surrounding the vibrator 320 are formed of a multilayer film. 18 and 19 show a manufacturing process of the conventional vibration type pressure sensor 300. FIG.

まず、図18(a)に示すように、N型シリコン単結晶基板400に、シリコン酸化膜401を形成しパターニングする。そして、シリコン酸化膜401を除去した部分をアンダーカットして凹部を形成し、ボロンの濃度1018cm-3のP形シリコンにより、選択エピタキシャル成長を行ってP+単結晶シリコン402を成長させる。次に、ボロンの濃度3×1019cm-3のP形シリコンにより、P+単結晶シリコン402の表面に、凹部をふさいでさらに上方にP++単結晶シリコン層403を成長させる。後に、P+単結晶シリコン層402が振動子320下のギャップ、P++単結晶シリコン層403が振動子320となる。 First, as shown in FIG. 18A, a silicon oxide film 401 is formed on an N-type silicon single crystal substrate 400 and patterned. Then, the portion from which the silicon oxide film 401 has been removed is undercut to form a recess, and selective epitaxial growth is performed with P-type silicon having a boron concentration of 10 18 cm −3 to grow P + single crystal silicon 402. Next, a P ++ single crystal silicon layer 403 is grown further upward on the surface of the P + single crystal silicon 402 by covering the surface of the P + single crystal silicon 402 with P-type silicon having a boron concentration of 3 × 10 19 cm −3 . Later, the P + single crystal silicon layer 402 becomes the gap below the vibrator 320, and the P ++ single crystal silicon layer 403 becomes the vibrator 320.

次に、図18(b)に示すように、P++単結晶シリコン層403上を含む基板表面にシリコン酸化膜404を形成し、パターニングする。シリコン酸化膜404を除去した凹部405で示す部分が、シェル330のシリコン基板310への接地部となる。   Next, as shown in FIG. 18B, a silicon oxide film 404 is formed on the substrate surface including the P ++ single crystal silicon layer 403 and patterned. A portion indicated by a recess 405 from which the silicon oxide film 404 has been removed serves as a grounding portion of the shell 330 to the silicon substrate 310.

図18(c)に示すように、凹部405を含む基板表面にシリコン窒化膜406を形成し、パターニングする。P++単結晶シリコン層403上のシリコン酸化膜404およびシリコン窒化膜406が、振動子320上のギャップとなる。   As shown in FIG. 18C, a silicon nitride film 406 is formed on the substrate surface including the recess 405 and patterned. The silicon oxide film 404 and the silicon nitride film 406 on the P ++ single crystal silicon layer 403 form a gap on the vibrator 320.

次いで、図19(a)に示すように、P++ポリシリコン407を全面に形成し、パターニングにより犠牲層エッチングのためのエッチング液導入穴408を形成する。このP++ポリシリコン407が、後にシェル330および電極取り出しのための配線となる。配線は、P++/P+単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板400への不純物拡散をすることで形成することも可能である。   Next, as shown in FIG. 19A, P ++ polysilicon 407 is formed on the entire surface, and an etching solution introduction hole 408 for sacrificial layer etching is formed by patterning. This P ++ polysilicon 407 will later become a wiring for extracting the shell 330 and electrodes. The wiring can be formed by using P ++ / P + single crystal silicon or by diffusing impurities into the silicon substrate 400 before selective epitaxial growth.

図19(b)に示すように、エッチング液の導入穴408からフッ化水素酸を流入させシリコン窒化膜406、シリコン酸化膜404を除去する。シェル330の基板への接地部は、シリコン窒化膜406のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜406がエッチングストップ層となる。   As shown in FIG. 19B, hydrofluoric acid is introduced from the etching solution introduction hole 408 to remove the silicon nitride film 406 and the silicon oxide film 404. Since the etching rate of the silicon nitride film 406 is low at the grounding portion of the shell 330 to the substrate, the silicon nitride film 406 serves as an etching stop layer in the lateral direction.

次いで、図19(c)に示すように、P+単結晶シリコン層402を、アルカリ溶液(ヒドラジン、KOH、TMAH等)により除去する。この時、P++単結晶シリコン層403、P++ポリシリコン407は、高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。これにより、振動子320が形成される。   Next, as shown in FIG. 19C, the P + single crystal silicon layer 402 is removed with an alkaline solution (hydrazine, KOH, TMAH, etc.). At this time, the P ++ single crystal silicon layer 403 and the P ++ polysilicon 407 are not etched because impurities are introduced at a high concentration. Thereby, the vibrator 320 is formed.

図19(d)に示すように、スパッタ、蒸着、CVD、エピタキシャル成長等により、封止部材350(例えば、スパッタにより形成したSiO,ガラス等)を形成して、エッチング液の導入穴をふさぐとともに微細な真空室340を形成する。 As shown in FIG. 19D, a sealing member 350 (for example, SiO 2 or glass formed by sputtering) is formed by sputtering, vapor deposition, CVD, epitaxial growth, or the like, and the etching solution introduction hole is blocked. A fine vacuum chamber 340 is formed.

そして、図19(e)に示すように、P++ポリシリコン407をパターニングしてシェル330を形成し、振動子320およびシェル330からの電気的配線を形成するとともにボンディングパッド用の電極を形成する。その後、シリコン基板400を裏面から薄肉化し、ダイアフラム311を形成することで、図17に示したような振動式圧力センサ300となる。   Then, as shown in FIG. 19E, P ++ polysilicon 407 is patterned to form a shell 330, and electrical wiring from the vibrator 320 and the shell 330 is formed, and an electrode for a bonding pad is formed. Thereafter, the silicon substrate 400 is thinned from the back surface and the diaphragm 311 is formed, whereby the vibration type pressure sensor 300 as shown in FIG. 17 is obtained.

特開2005−37309号公報JP 2005-37309 A

上記のように、従来の振動式トランスデューサの振動子320は、犠牲層(P+単結晶シリコン層402、シリコン酸化膜404、シリコン窒化膜406)の成膜と、犠牲層のエッチング工程を経て形成される。また、振動子320の機械的Q値を高くするために、真空封止のための封止部材350の成膜が行なわれる。   As described above, the vibrator 320 of the conventional vibration transducer is formed through the formation of the sacrificial layer (P + single crystal silicon layer 402, silicon oxide film 404, silicon nitride film 406) and the sacrificial layer etching process. The In addition, in order to increase the mechanical Q value of the vibrator 320, the sealing member 350 for vacuum sealing is formed.

このため、製造プロセスに、犠牲層の形成工程、犠牲層のエッチング工程、真空封止のための成膜工程を欠かすことができず、工程の簡略化に大きな制約があった。   For this reason, a sacrificial layer forming step, a sacrificial layer etching step, and a film forming step for vacuum sealing cannot be indispensable in the manufacturing process, and there is a great restriction on simplification of the steps.

そこで、本発明は、振動式トランスデューサの振動子の製造工程を簡略化することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to simplify the manufacturing process of the vibrator of the vibratory transducer.

上記課題を解決するため、本発明の第1である態様の振動式トランスデューサは、第1型半導体基板上に第2型半導体層、第1型半導体層が順に重ねられ、前記第2型半導体層に、振動子および電極が空間を隔てて形成され、前記振動子の前記第1型半導体基板側、前記第1型半導体層側とも隙間が設けられていることを特徴とする。
ここで、前記第1型半導体基板、前記第2型半導体層、前記第1型半導体層とも、層を構成する単一の積層部材以外を含まない材質で構成することができる。
また、前記第2型半導体層は、高濃度不純物層とすることができる。
また、前記第1型半導体基板に代えて、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いるようにしてもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第2の態様である振動式トランスデューサの製造方法は、第1型半導体基板上に第2型半導体層、第1型半導体層を順に重ねる成膜工程と、前記第2型半導体層を含む内部領域に、上部と下部の幅が広くなっている2つの溝部を、平行に形成するエッチング工程と、水素雰囲気中でアニール処理を行なうアニール工程と、を有することを特徴とする。
ここで、前記エッチング工程は、異方性エッチング、等方性エッチングを繰り返し行なうことができる。
In order to solve the above-described problem, a vibratory transducer according to a first aspect of the present invention includes a second-type semiconductor layer in which a second-type semiconductor layer and a first-type semiconductor layer are sequentially stacked on a first-type semiconductor substrate. Further, the vibrator and the electrode are formed with a space therebetween, and a gap is provided on the first-type semiconductor substrate side and the first-type semiconductor layer side of the vibrator.
Here, the first-type semiconductor substrate, the second-type semiconductor layer, and the first-type semiconductor layer can be made of a material that does not include a single laminated member that constitutes the layer.
The second type semiconductor layer may be a high concentration impurity layer.
Further, an SOI (Silicon On Insulator) substrate may be used instead of the first type semiconductor substrate.
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a vibration type transducer according to a second aspect of the present invention includes a film forming step of sequentially stacking a second type semiconductor layer and a first type semiconductor layer on a first type semiconductor substrate, An internal region including the second-type semiconductor layer, including an etching step of forming two trenches having a wide upper portion and a lower portion in parallel and an annealing step of performing an annealing process in a hydrogen atmosphere. It is characterized by.
Here, in the etching step, anisotropic etching and isotropic etching can be repeatedly performed.

本発明によれば、犠牲層の形成工程、犠牲層のエッチング工程、真空封止のための成膜工程が不要になるため、振動式トランスデューサの振動子の製造工程を簡略化することができる。   According to the present invention, since a sacrificial layer forming step, a sacrificial layer etching step, and a film forming step for vacuum sealing are not required, the manufacturing process of the vibrator of the vibratory transducer can be simplified.

本実施形態の振動式圧力センサの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the vibration type pressure sensor of this embodiment. 振動式圧力センサの上面図である。It is a top view of a vibration type pressure sensor. 振動子用パッドおよび電極用パッドの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pad for vibrator | oscillators, and the pad for electrodes. ガード用パッドの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pad for guards. N基板用パッドの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pad for N board | substrates. 上部N層用パッドの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pad for upper N layers. 本実施形態に係る振動式圧力センサの製造方法の第1〜第3工程について説明する図である。It is a figure explaining the 1st-3rd process of the manufacturing method of the vibration type pressure sensor concerning this embodiment. 本実施形態に係る振動式圧力センサの製造方法の第4〜第6工程について説明する図である。It is a figure explaining the 4th-6th process of the manufacturing method of the vibration type pressure sensor concerning this embodiment. 本実施形態に係る振動式圧力センサの製造方法の第7〜第9工程について説明する図である。It is a figure explaining the 7th-9th process of the manufacturing method of the vibration type pressure sensor concerning this embodiment. エッチング処理を説明する図である。It is a figure explaining an etching process. アニール処理を説明する図である。It is a figure explaining an annealing process. マスクパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a mask pattern. 振動式圧力センサの使用態様を説明する図である。It is a figure explaining the usage condition of a vibration type pressure sensor. エッチング処理の別例を説明する図である。It is a figure explaining another example of an etching process. 精度を高めたエッチング処理を説明する図である。It is a figure explaining the etching process which raised the precision. SOI基板上に振動子を形成した場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a vibrator | oscillator is formed on an SOI substrate. 従来の振動式トランスデューサの構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the conventional vibration type transducer. 従来の振動式圧力センサの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the conventional vibration type pressure sensor. 従来の振動式圧力センサの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the conventional vibration type pressure sensor.

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、振動式トランスデューサを振動式圧力センサに適用した場合の例に説明する。図1は、本実施形態の振動式圧力センサの構造を説明する図であり、図1(a)は、振動式圧力センサ100の断面図である。ただし、構造を分かりやすくするため、寸法比は実際と異なっている。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which a vibration transducer is applied to a vibration pressure sensor will be described. FIG. 1 is a view for explaining the structure of the vibration type pressure sensor of this embodiment, and FIG. 1A is a cross-sectional view of the vibration type pressure sensor 100. However, in order to make the structure easy to understand, the dimensional ratio is different from the actual one.

本図に示すように、振動式圧力センサ100は、N基板110上にP++層120、上部N層130、酸化膜140が重ねられた4層構造を成している。N基板110上の各層は、1回の成膜工程で生成された単一の層である。もちろん、P基板上に、N++層、上部P層、酸化膜を重ねた構造としてもよい。   As shown in the figure, the vibration pressure sensor 100 has a four-layer structure in which a P ++ layer 120, an upper N layer 130, and an oxide film 140 are stacked on an N substrate 110. Each layer on the N substrate 110 is a single layer generated in one film formation process. Of course, a structure in which an N ++ layer, an upper P layer, and an oxide film are stacked on a P substrate may be employed.

N基板110には、圧力入力により撓むダイアフラム111が形成されている。ダイアフラム111上のP++層120に振動子121aが配置され、図示しない駆動検出回路により、圧力に応じて変化する共振周波数を検出することで入力される圧力を測定する。ただし、ダイアフラム111を設けない絶対圧センサとして構成することもできる。   A diaphragm 111 that is bent by pressure input is formed on the N substrate 110. A vibrator 121a is disposed on the P ++ layer 120 on the diaphragm 111, and a pressure that is input by measuring a resonance frequency that changes according to the pressure is measured by a drive detection circuit (not shown). However, it can also be configured as an absolute pressure sensor without the diaphragm 111.

図1(b)は、振動式圧力センサ100のP++層120を上面から見た平面図であり、図1(c)は、図1(a)の断面図と直交する面から見た断面図である。また、図1(a)は、図1(b)に示した平面図の線Aにおける断面図であり、図1(c)は、図1(b)に示した平面図の線Bにおける断面図であり、さらに、図1(b)に示した平面図は、図1(a)の断面図における線Hと図1(c)の断面図における線VとでP++層120を切断した面を表わしている。図1において白抜き部分は、エッチング処理により生成した空洞を示しており、後述するN基板用パッドを露出させるための貫通孔125以外は真空状態になっている。   1B is a plan view of the P ++ layer 120 of the vibration pressure sensor 100 as viewed from above, and FIG. 1C is a cross-sectional view as viewed from a plane orthogonal to the cross-sectional view of FIG. It is. 1A is a cross-sectional view taken along line A in the plan view shown in FIG. 1B, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line B in the plan view shown in FIG. Further, the plan view shown in FIG. 1 (b) is a plane obtained by cutting the P ++ layer 120 along the line H in the sectional view of FIG. 1 (a) and the line V in the sectional view of FIG. 1 (c). Represents. In FIG. 1, white portions indicate cavities generated by the etching process, and a portion other than a through hole 125 for exposing an N substrate pad described later is in a vacuum state.

本例は、振動子を2つ配置した構造をしており、それぞれを第1振動子121a、第2振動子121bと称し、両者を区別しない場合は振動子121と総称する。複数個備えられた他の部位についても同様に称するものとする。また、本実施形態は、静電容量式の振動式トランスデューサを例にしているが、本発明は、永久磁石を用いた振動式トランスデューサに適用することもできる。   This example has a structure in which two vibrators are arranged, which are referred to as a first vibrator 121a and a second vibrator 121b, respectively, and collectively referred to as a vibrator 121 when they are not distinguished from each other. The other parts provided in plural are also referred to in the same manner. Moreover, although this embodiment has exemplified a capacitive vibration transducer, the present invention can also be applied to a vibration transducer using a permanent magnet.

振動式圧力センサ100の表層部のP++層120に形成された振動子121は、真空室126に囲まれており、真空室126を介して両側に電極123が配置されている。具体的には、第1振動子121aが電極123aと電極123bとに挟まれ、第2振動子121bが電極123cと電極123dとに挟まれている。それぞれの電極123には、アルミニウム等で形成された電極用パッド153が設けられ、電極用パッド153が上面に露出している。   The vibrator 121 formed on the P ++ layer 120 in the surface layer portion of the vibration pressure sensor 100 is surrounded by a vacuum chamber 126, and electrodes 123 are arranged on both sides of the vacuum chamber 126. Specifically, the first vibrator 121a is sandwiched between the electrode 123a and the electrode 123b, and the second vibrator 121b is sandwiched between the electrode 123c and the electrode 123d. Each electrode 123 is provided with an electrode pad 153 made of aluminum or the like, and the electrode pad 153 is exposed on the upper surface.

また、第1振動子121aは、第1振動子電極122aに繋がり、第2振動子121bは、第2振動子電極122bに繋がっている。第1振動子電極122aには第1振動子用パッド152aが設けられ、第2振動子電極122bには第2振動子用パッド152bが設けられ、両振動子用パッド152が上面に露出している。   The first vibrator 121a is connected to the first vibrator electrode 122a, and the second vibrator 121b is connected to the second vibrator electrode 122b. The first vibrator electrode 122a is provided with a first vibrator pad 152a, the second vibrator electrode 122b is provided with a second vibrator pad 152b, and both vibrator pads 152 are exposed on the upper surface. Yes.

電気的に分離する必要のある振動子121と電極123とは、どちらもP++層120に形成されているが、両者は空洞の隙間127により絶縁されている。各電極123、振動子電極122も、ガード124(P++層120の地の部分)と隙間127により絶縁されている。また、振動子121の周囲の隙間127により、真空室126が形成されている。   Both the vibrator 121 and the electrode 123 that need to be electrically separated are formed in the P ++ layer 120, but both are insulated by a cavity gap 127. Each electrode 123 and the vibrator electrode 122 are also insulated from the guard 124 (the ground portion of the P ++ layer 120) and the gap 127. A vacuum chamber 126 is formed by a gap 127 around the vibrator 121.

本図に示すように、本実施形態の振動式圧力センサ100は、N基板110、P++層120、上部N層130の3層構造を有しており、各層とも、層を構成する単一の積層部材以外を含まない材質で構成している。これは、上層部については、封止部材等の別の材料が必要でなく、中層部については絶縁を確保する絶縁材料等の別の材料が必要でないからである。ただし、他の材料を含んで各層を構成するようにしてもよい。   As shown in this figure, the vibration type pressure sensor 100 of the present embodiment has a three-layer structure of an N substrate 110, a P ++ layer 120, and an upper N layer 130, and each layer is a single layer constituting a layer. It is comprised with the material which does not contain other than a lamination member. This is because another material such as a sealing member is not necessary for the upper layer portion, and another material such as an insulating material for ensuring insulation is not necessary for the middle layer portion. However, you may make it comprise each layer including another material.

図2は、振動式圧力センサ100の上面図である。振動式圧力センサ100の上面は、酸化膜140に覆われており、それぞれアルミニウム等で形成された振動子用パッド152a、152bと、電極用パッド153a、153b、153c、153dと、カード用パッド154と、N基板用パッド155と、上部N層用パッド156が露出している。   FIG. 2 is a top view of the vibration pressure sensor 100. The upper surface of the vibration type pressure sensor 100 is covered with an oxide film 140, and vibrator pads 152a, 152b, electrode pads 153a, 153b, 153c, 153d, and a card pad 154, each formed of aluminum or the like. The N substrate pad 155 and the upper N layer pad 156 are exposed.

振動子用パッド152は、振動子121に配線を行なうためのパッドであり、電極用パッド153は、電極123に配線を行なうためのパッドである。両パッドは同じ構造とすることができる。図3は、振動子用パッド152および電極用パッド153の構造を示す断面図である。本図に示すように、振動子用パッド152および電極用パッド153は、上部N層130および酸化膜140が除去された場所で、P++層120に形成された振動子電極122、電極123に取付けられる。   The vibrator pad 152 is a pad for wiring to the vibrator 121, and the electrode pad 153 is a pad for wiring to the electrode 123. Both pads can have the same structure. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the vibrator pad 152 and the electrode pad 153. As shown in this figure, the vibrator pad 152 and the electrode pad 153 are attached to the vibrator electrode 122 and the electrode 123 formed in the P ++ layer 120 at the place where the upper N layer 130 and the oxide film 140 are removed. It is done.

ガード用パッド154は、ガード124に配線を行なうためのパッドである。図4は、ガード用パッド154の構造を示す断面図である。本図に示すように、ガード用パッド154は、上部N層130および酸化膜140が除去された場所で、P++層120に形成されたガード124に取付けられる。   The guard pad 154 is a pad for wiring the guard 124. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the guard pad 154. As shown in the figure, the guard pad 154 is attached to the guard 124 formed on the P ++ layer 120 at the place where the upper N layer 130 and the oxide film 140 are removed.

N基板用パッド155は、N基板110に配線を行なうためのパッドである。図5は、N基板用パッド155の構造を示す断面図である。本図に示すように、N基板用パッド155は、上部N層130、P++層120および酸化膜140が除去された場所で、N基板110に取付けられる。   The N substrate pad 155 is a pad for wiring the N substrate 110. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the N substrate pad 155. As shown in the figure, the N substrate pad 155 is attached to the N substrate 110 at the place where the upper N layer 130, the P ++ layer 120, and the oxide film 140 are removed.

上部N層用パッド156は、上部N層130に配線を行なうためのパッドである。図6は、上部N層用パッド156の構造を示す断面図である。本図に示すように、上部N層用パッド156は、酸化膜140が除去された場所で、上部N層130に取付けられる。   Upper N layer pad 156 is a pad for wiring to upper N layer 130. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the upper N layer pad 156. As shown in the figure, the upper N layer pad 156 is attached to the upper N layer 130 at the place where the oxide film 140 is removed.

次に、本実施形態に係る振動式圧力センサ100の製造方法について説明する。ここでは、図7〜図9を参照して、振動子121、振動子用パッド152および電極用パッド153、上部N層用パッド156、N基板用パッド155毎に、製造方法を9つの工程に分けて説明する。   Next, a method for manufacturing the vibration pressure sensor 100 according to the present embodiment will be described. Here, referring to FIGS. 7 to 9, the manufacturing method is divided into nine steps for each of the vibrator 121, the vibrator pad 152 and the electrode pad 153, the upper N layer pad 156, and the N substrate pad 155. Separately described.

まず、図7を参照して、第1工程〜第3工程を説明する。これらの工程は、振動子121、振動子用パッド152および電極用パッド153、上部N層用パッド156、N基板用パッド155で共通である。第1工程では、N型シリコン基板を用意する。N型シリコン基板が、後の工程を経てN基板110となる。   First, the first to third steps will be described with reference to FIG. These steps are common to the vibrator 121, the vibrator pad 152 and the electrode pad 153, the upper N layer pad 156, and the N substrate pad 155. In the first step, an N-type silicon substrate is prepared. The N-type silicon substrate becomes the N substrate 110 through a later process.

そして、第2工程で、N型シリコン基板の表面に、P++の単結晶層と、Nの単結晶層をエピタキシャル成長させる。後の工程を経て、P++の単結晶層はP++層120となり、Nの単結晶層が上部N層130となる。第3工程で、表面を酸化膜で覆い、フォトリソグラフィを行なった後、酸化膜をエッチングする。この際、後に示す工程により、図1(b)に示したような形状が得られるようにパターニングする。   In the second step, a P ++ single crystal layer and an N single crystal layer are epitaxially grown on the surface of the N-type silicon substrate. Through the subsequent steps, the P ++ single crystal layer becomes the P ++ layer 120, and the N single crystal layer becomes the upper N layer 130. In the third step, the surface is covered with an oxide film, photolithography is performed, and then the oxide film is etched. At this time, patterning is performed so as to obtain a shape as shown in FIG.

次に、図8を参照して、第4工程〜第6工程を説明する。第4工程では、第3工程でパターニングした酸化膜をマスクとしてDRIE(深堀り反応性イオンエッチング)によりエッチングを行なう。なお、第3工程のパターニングにおいて、振動子121は、後の第4および第5工程により所望のギャップが得られるような間隔にし、振動子用パッド152および電極用パッド153は、電極部、配線部として必要な幅が得られるような間隔とする。上部N層用パッド156は、本工程でエッチングされないように全面マスクし、N基板用パッド155は、全面がエッチングされて開口部となるようにパターニングする。   Next, the fourth to sixth steps will be described with reference to FIG. In the fourth step, etching is performed by DRIE (deep reactive ion etching) using the oxide film patterned in the third step as a mask. In the patterning in the third step, the vibrator 121 is spaced so that a desired gap can be obtained in the subsequent fourth and fifth steps, and the vibrator pad 152 and the electrode pad 153 are provided in the electrode portion and the wiring. The interval is such that the necessary width can be obtained as a part. The upper N layer pad 156 is masked so as not to be etched in this step, and the N substrate pad 155 is patterned so that the entire surface is etched to form an opening.

図8に示すように、第4工程のエッチングでは、酸化膜の表層に近い部分は、狭くエッチングし、P++層の上下境界付近では、横方向のエッチング量を増やして広くエッチングする。   As shown in FIG. 8, in the etching of the fourth step, the portion near the surface layer of the oxide film is etched narrowly, and the vicinity of the upper and lower boundaries of the P ++ layer is etched wider by increasing the lateral etching amount.

そのため、例えば、図10(a)に示すように、酸化膜の表層に近い上部N層130の部分は、狭い溝161となるように方向性エッチングを行ない、P++層120との境界部分では、図10(b)に示すような広い溝162となるように等方性エッチングを行なう。さらに、方向性エッチングにより、図10(c)に示すような中程度の溝163を形成した後、図10(d)に示すように、N基板110との境界部分で広い溝164となるように等方性エッチングを行なう。   Therefore, for example, as shown in FIG. 10A, the portion of the upper N layer 130 close to the surface layer of the oxide film is subjected to directional etching so as to become a narrow groove 161, and at the boundary portion with the P ++ layer 120, Isotropic etching is performed so as to form a wide groove 162 as shown in FIG. Further, after forming a medium groove 163 as shown in FIG. 10C by directional etching, a wide groove 164 is formed at the boundary with the N substrate 110 as shown in FIG. 10D. Isotropic etching is performed.

第5工程で、表層の酸化膜を除去し、第6工程で、水素雰囲気中でアニール(annealing:焼き鈍し)を行なう。水素雰囲気中のアニールにより、表面エネルギーが最小になるように表層のシリコン原子が移動する。   In the fifth step, the surface oxide film is removed, and in the sixth step, annealing is performed in a hydrogen atmosphere. By annealing in a hydrogen atmosphere, surface silicon atoms move so as to minimize the surface energy.

このため、振動子121は、図11(a)に示すように、2つの平行な溝165aと溝165bとの間隔が狭いため、広い溝部分同士が接合する。また、広い溝部分を結ぶ中程度の溝部分の幅が広がり、滑らかになる。さらに、表層付近の狭い溝部分は閉じられる。この結果、図11(b)に示すように、振動子121とその周りの空間が形成され、ギャップが生じる。また、水素雰囲気中でアニールが行なわれることにより、振動子121周囲の空間は真空封止され、真空室126となる。これにより、高い機械的Q値の振動を実現することができる。   For this reason, as shown in FIG. 11A, the vibrator 121 has a narrow interval between the two parallel grooves 165a and 165b, so that the wide groove portions are joined to each other. Further, the width of the middle groove portion connecting the wide groove portions is widened and smoothed. Furthermore, the narrow groove portion near the surface layer is closed. As a result, as shown in FIG. 11B, the vibrator 121 and the surrounding space are formed, and a gap is generated. In addition, by performing annealing in a hydrogen atmosphere, the space around the vibrator 121 is vacuum-sealed to become a vacuum chamber 126. Thereby, vibration with a high mechanical Q value can be realized.

また、振動子用パッド152および電極用パッド153では、図11(c)に示すように、2つの溝165cと溝165dとの間隔が広いため、広い溝部分同士は接合せずに、広い溝部分を結ぶ中程度の溝部分の幅が広がり、滑らかになる。また、表層付近の狭い溝部分が閉じられる。この結果、図11(d)に示すように、独立した空間となる。N基板用パッド155は、広く開口している壁が滑らかになる。   Further, in the vibrator pad 152 and the electrode pad 153, as shown in FIG. 11C, the gap between the two grooves 165c and 165d is wide, so that the wide groove portions are not joined to each other, and the wide grooves are not joined. The width of the middle groove part connecting the parts widens and becomes smooth. In addition, a narrow groove near the surface layer is closed. As a result, an independent space is formed as shown in FIG. The N substrate pad 155 has a smooth wide open wall.

次に、図9を参照して、第7工程〜第9工程を説明する。第7工程では、表面を酸化して、フォトリソグラフィと酸化膜エッチングにより、振動子用パッド152および電極用パッド153領域、図示しないガード用パッド154領域の酸化膜を除去する。そして、酸化膜をマスクにして、ヒドラジンやEDP等の濃度差エッチング可能なアルカリ溶液を用いて異方性エッチングを行なう。これによりP++層120が露出する。なお、アルカリ溶液を用いた異方性エッチングに代えてRIEを行なってもよい。   Next, the seventh to ninth steps will be described with reference to FIG. In the seventh step, the surface is oxidized, and the oxide film in the vibrator pad 152, the electrode pad 153 region, and the guard pad 154 region (not shown) is removed by photolithography and oxide film etching. Then, using the oxide film as a mask, anisotropic etching is performed using an alkali solution capable of etching with a concentration difference such as hydrazine or EDP. As a result, the P ++ layer 120 is exposed. Note that RIE may be performed instead of anisotropic etching using an alkaline solution.

第8工程では、第7工程でマスクに用いた酸化膜を除去して、再度表面の酸化膜の成膜を行なう。この層が酸化膜140となる。第9工程で、酸化膜をパターニングしてコンタクト用の穴を作り、アルミニウムを成膜し、コンタクト部分のアルミニウムをパターニングする。   In the eighth step, the oxide film used for the mask in the seventh step is removed, and a surface oxide film is formed again. This layer becomes the oxide film 140. In the ninth step, the oxide film is patterned to form a contact hole, aluminum is deposited, and the aluminum in the contact portion is patterned.

以上説明したように、本実施形態の振動式圧力センサ100は、犠牲層の形成工程、犠牲層のエッチング工程、真空封止のための成膜工程を必要としないため、従来の製造工程を大幅に簡略化することができる。また、従来、真空封止成膜処理までにマスクが5枚程度必要であったところ、本実施形態の振動式圧力センサ100は、第6工程のアニール処理までに、第3工程、第4工程で用いる1枚のマスクで足りる。この点においても大幅な製造工程の削減が可能である。さらに、製造工程の削減により、管理項目も削減でき、製品の歩留まり向上にも寄与することができる。   As described above, the vibration type pressure sensor 100 according to the present embodiment does not require a sacrificial layer forming step, a sacrificial layer etching step, and a film forming step for vacuum sealing. Can be simplified. Conventionally, about five masks are required until the vacuum sealing film forming process, and the vibration pressure sensor 100 according to the present embodiment performs the third process and the fourth process before the annealing process in the sixth process. A single mask used in the above is sufficient. In this respect, the manufacturing process can be greatly reduced. Furthermore, management items can be reduced by reducing the number of manufacturing processes, which can contribute to an improvement in product yield.

図12は、第3工程、第4工程で用いる1枚のマスクのマスクパターン例を示している。本図に示すように、マスクパターンは、断続的な線で描くことができる。本図の例では、A部拡大図に、断続的な線の例として、破線、点線の2パターンを示しているが、アニール時に開口部が閉じ、分離が必要な部分が分離されれば他の形状であってもよい。   FIG. 12 shows a mask pattern example of one mask used in the third step and the fourth step. As shown in the figure, the mask pattern can be drawn with intermittent lines. In the example of this figure, the A-part enlarged view shows two patterns of broken lines and dotted lines as examples of intermittent lines. However, if the opening is closed at the time of annealing and the part that needs to be separated is separated, The shape may also be

図13は、振動式圧力センサ100の使用態様を説明する図である。図13(a)に示すように、振動式圧力センサ100の上部N層130とN基板110とをP++層120と電気的に絶縁するために、逆バイアス条件になるように、回路で使用可能な最大電圧Vhを、上部N層130とN基板110とに印加する。振動子121に対向する電極123には、大きさの等しい+Vb、−Vbのバイアス電圧を印加する。振動子121は、このバイアス電圧により発生する静電引力により、両側から等しい力で引かれる。一方、振動子121には、共振周波数と等しい周波数の交流信号vacを入力する。このとき、電極123と振動子121との間の電位が変化して、振動子121と電極123との間に、[数1]で表わされる力が働く。
[数1]から分かるように、振動子121には、交流信号vacに比例した力が働くため、振動子121は、交流信号vacと同じ周波数で振動する。この振動は、振動子121を変位させるため、振動子121と電極123との間の静電容量を変化させる。この静電容量の変化を外部回路によりより検出することで、振動子121の振動を電圧の変化として取り出すことが可能となる。図13(a)の例では、この容量変化を、電流電圧変換回路を用いて電圧に変換し、この信号の差動を取ることにより、振動子121と電極123との間の静電容量の変化に比例した電圧出力を得ている。
FIG. 13 is a diagram for explaining how the vibration pressure sensor 100 is used. As shown in FIG. 13A, in order to electrically insulate the upper N layer 130 and the N substrate 110 of the vibration pressure sensor 100 from the P ++ layer 120, it can be used in a circuit so as to be in a reverse bias condition. A maximum voltage Vh is applied to the upper N layer 130 and the N substrate 110. Bias voltages of + Vb and −Vb having the same magnitude are applied to the electrode 123 facing the vibrator 121. The vibrator 121 is pulled with equal force from both sides by electrostatic attraction generated by this bias voltage. On the other hand, an AC signal vac having a frequency equal to the resonance frequency is input to the vibrator 121. At this time, the potential between the electrode 123 and the vibrator 121 changes, and a force expressed by [Equation 1] works between the vibrator 121 and the electrode 123.
As can be seen from [Equation 1], since a force proportional to the AC signal v ac acts on the vibrator 121, the vibrator 121 vibrates at the same frequency as the AC signal v ac . This vibration changes the electrostatic capacity between the vibrator 121 and the electrode 123 in order to displace the vibrator 121. By detecting this change in capacitance by an external circuit, the vibration of the vibrator 121 can be extracted as a change in voltage. In the example of FIG. 13A, this capacitance change is converted into a voltage by using a current-voltage conversion circuit, and the capacitance of the capacitance between the vibrator 121 and the electrode 123 is obtained by taking the differential of this signal. A voltage output proportional to the change is obtained.

図13(a)の例は、共振周波数と同じ周波数の交流信号vacで振動子121を駆動したが、実際には共振周波数は分からないため、図13(b)のブロックダイアグラムに示すように、自励振回路を用いて振動子121を振動させる。図13(a)における回路Aが、図13(b)におけるブロックAに相当する。増幅器βによって、ブロックAに正帰還をかけることにより、振動子121が自励振動する。このとき、振幅を制御する場合は、正帰還プールの外部に設けた励振制御回路を用いて振幅の調整を行なう。励振制御回路は、演算増幅器Bにおいて、参照電圧Vrefと振幅とを比較することによりブロックAの出力振幅を制御する。 In the example of FIG. 13A, the vibrator 121 is driven by the AC signal vac having the same frequency as the resonance frequency. However, since the resonance frequency is not actually known, as shown in the block diagram of FIG. The vibrator 121 is vibrated using a self-excited circuit. The circuit A in FIG. 13A corresponds to the block A in FIG. By applying positive feedback to the block A by the amplifier β, the vibrator 121 vibrates by itself. At this time, when controlling the amplitude, the amplitude is adjusted using an excitation control circuit provided outside the positive feedback pool. The excitation control circuit controls the output amplitude of the block A in the operational amplifier B by comparing the reference voltage Vref with the amplitude.

なお、上記の実施形態では、振動子の第4工程において、図11(a)に示したように、溝165aと溝165bの広い溝部分が近接するようにエッチングを行ない、水素雰囲気中のアニール処理で広い溝部分同士が接合して、振動子121が分離するようにしていたが、図14(a)に示すように、溝165aと溝165bの広い溝部分が繋がるようにエッチングを行ない、水素雰囲気中のアニール処理前に振動子121を分離するようにしてもよい。この場合も、図14(b)に示すように、水素雰囲気中のアニール処理により、振動子121と真空室126が形成される。   In the above embodiment, in the fourth step of the vibrator, as shown in FIG. 11A, etching is performed so that the wide groove portions of the grooves 165a and 165b are close to each other, and annealing in a hydrogen atmosphere is performed. The wide groove portions were joined to each other by the processing so that the vibrator 121 was separated, but as shown in FIG. 14A, etching was performed so that the wide groove portions of the grooves 165a and 165b were connected, The vibrator 121 may be separated before annealing in a hydrogen atmosphere. Also in this case, as shown in FIG. 14B, the vibrator 121 and the vacuum chamber 126 are formed by annealing in a hydrogen atmosphere.

また、上記の実施形態では、図10に示したように、異方性エッチング、等方性エッチングを繰り返すことにより、狭い溝部分と広い溝部分と中程度の溝部分と広い溝部分とを備えた溝を形成していたが、DRIEで形成する溝の形状の制度をより高くするために、酸化膜によるマスクを併用してもよい。例えば、図15(a)に示すように、上部N層を異方性エッチングにより垂直にエッチングした後、図15(b)に示すように薄い酸化を実施してから、図15(c)に示すようにドライの異方性エッチングで底部の酸化膜を除去する。そして、図15(d)に示すようにDRIEでP++層120を広くエッチングする。その後は、酸化、ドライ異方性エッチングを繰り返すことで(図15(e)〜(h))、所望の構造を精度よく得ることが可能となる。   Further, in the above embodiment, as shown in FIG. 10, by repeating anisotropic etching and isotropic etching, a narrow groove portion, a wide groove portion, a medium groove portion, and a wide groove portion are provided. However, a mask made of an oxide film may be used in combination in order to increase the system of the shape of the groove formed by DRIE. For example, as shown in FIG. 15A, after the upper N layer is etched vertically by anisotropic etching, thin oxidation is performed as shown in FIG. As shown, the bottom oxide film is removed by dry anisotropic etching. Then, as shown in FIG. 15D, the P ++ layer 120 is widely etched by DRIE. Thereafter, oxidation and dry anisotropic etching are repeated (FIGS. 15E to 15H), whereby a desired structure can be obtained with high accuracy.

また、上記の実施形態では、N基板110上に各層を成膜したが、N基板110に代えて、SOIウエハ(Silicon On Insulator)を用いて、SOI基板上に各層を成膜するようにしてもよい。図16は、SOI基板上に振動子を形成した場合を示している。本図の例では、図16(a)に示すように、NまたはP型のシリコン171、ボックス層のSiO2172、活性層のP型シリコン173からなるSOI基板170を用いる。 In the above embodiment, each layer is formed on the N substrate 110. However, instead of the N substrate 110, each layer is formed on the SOI substrate using an SOI wafer (Silicon On Insulator). Also good. FIG. 16 shows a case where a vibrator is formed on an SOI substrate. In the example of this figure, as shown in FIG. 16A, an SOI substrate 170 made of N or P type silicon 171, a box layer SiO 2 172, and an active layer P type silicon 173 is used.

この場合、図16(b)に示すように、SOI基板170上に、P++エピタキシャル層181、N型エピタキシャル層182、酸化層183を成膜する。そして、上述の手順により振動子部分のエッチングを行なうと、図16(c)に示すように、P型シリコン173がSiO2172と接している部分でエッチストップが生じる。エッチストップ後も横方向のエッチングを継続して、振動子の下の幅を狭くする。 In this case, as shown in FIG. 16B, a P ++ epitaxial layer 181, an N-type epitaxial layer 182, and an oxide layer 183 are formed on the SOI substrate 170. When the vibrator portion is etched by the above-described procedure, an etch stop is generated at the portion where the P-type silicon 173 is in contact with the SiO 2 172 as shown in FIG. After the etch stop, the lateral etching is continued to narrow the width under the vibrator.

その後、水素雰囲気中でアニールを行なうと、封止の際に、SiO2が昇華されることによりエッチングされること、SiO2との界面での応力集中が生じている部分でシリコン原子の移動が起こって抉れ(えぐれ)が発生することから、振動子は、図16(d)に示すような構造となる。このような構造であっても、振動子の特性には影響しない。 After that, when annealing is performed in a hydrogen atmosphere, etching is performed by sublimation of SiO 2 at the time of sealing, and silicon atoms move at a portion where stress concentration occurs at the interface with SiO 2. Since the occurrence of drooling occurs, the vibrator has a structure as shown in FIG. Even such a structure does not affect the characteristics of the vibrator.

また、封止時間を長くする必要がある場合には、振動子の周りの真空室の底部が、図16(e)に示すように、さらに歪(いびつ)になるが、このような構造であっても、振動子としても性能を確保することが可能である。   In addition, when it is necessary to lengthen the sealing time, the bottom of the vacuum chamber around the vibrator is further distorted as shown in FIG. Even if it exists, it is possible to ensure performance as a vibrator.

100…振動式圧力センサ、110…N基板、111…ダイアフラム、120…P++層、121…振動子、122…振動子電極、123…電極、124…ガード、125…貫通孔、126…真空室、127…隙間、130…上部N層、140…酸化膜、152…振動子用パッド、153…電極用パッド、154…カード用パッド、155…N基板用パッド、156…上部N層用パッド、161…溝、162…溝、163…溝、164…溝、165…溝、170…SOI基板、171…N/Pシリコン、172…SiO2、173…P型シリコン、181…P++エピタキシャル層、182…N型エピタキシャル層、183…酸化層、300…振動式圧力センサ、310…シリコン基板、311…ダイアフラム、320…振動子、330…シェル、340…真空室、350…封止部材、400…シリコン基板、400…N型シリコン単結晶基板、401…シリコン酸化膜、402…P+単結晶シリコン層、403…P++単結晶シリコン層、404…シリコン酸化膜、405…凹部、406…シリコン窒化膜、407…P++ポリシリコン、408…エッチング液導入穴 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Vibration type pressure sensor, 110 ... N board | substrate, 111 ... Diaphragm, 120 ... P ++ layer, 121 ... Vibrator, 122 ... Vibrator electrode, 123 ... Electrode, 124 ... Guard, 125 ... Through-hole, 126 ... Vacuum chamber, 127: gap, 130: upper N layer, 140: oxide film, 152: vibrator pad, 153 ... electrode pad, 154 ... card pad, 155 ... N substrate pad, 156 ... upper N layer pad, 161 ... groove, 162 ... groove, 163 ... groove, 164 ... groove, 165 ... groove, 170 ... SOI substrate, 171 ... N / P silicon, 172 ... SiO 2, 173 ... P-type silicon, 181 ... P ++ epitaxial layer, 182 ... N-type epitaxial layer, 183 ... oxide layer, 300 ... vibration type pressure sensor, 310 ... silicon substrate, 311 ... diaphragm, 320 ... vibrator, 330 ... shi 340 ... vacuum chamber 350 ... sealing member 400 ... silicon substrate 400 ... N-type silicon single crystal substrate 401 ... silicon oxide film 402 ... P + single crystal silicon layer 403 ... P ++ single crystal silicon layer 404 ... Silicon oxide film, 405 ... concave, 406 ... silicon nitride film, 407 ... P ++ polysilicon, 408 ... etching liquid introduction hole

Claims (5)

第1型半導体基板上に第2型半導体層、第1型半導体層が絶縁層を挟むことなく順に重ねられ、
前記第2型半導体層に、振動子および電極が空間を隔てて形成され、前記振動子の前記第1型半導体基板側、前記第1型半導体層側とも隙間が設けられていることを特徴とする振動式トランスデューサ。
The second type semiconductor layer and the first type semiconductor layer are sequentially stacked on the first type semiconductor substrate without sandwiching the insulating layer ,
A vibrator and an electrode are formed in the second type semiconductor layer with a space therebetween, and a gap is provided on the first type semiconductor substrate side and the first type semiconductor layer side of the vibrator. Vibrating transducer.
前記第1型半導体基板、前記第2型半導体層、前記第1型半導体層とも、層を構成する単一の積層部材以外を含まない材質で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動式トランスデューサ。   2. The first-type semiconductor substrate, the second-type semiconductor layer, and the first-type semiconductor layer are all made of a material that does not include a single laminated member that constitutes the layer. The vibratory transducer as described. 前記第2型半導体層は、高濃度不純物層であることを特徴とする請求項1または2に記載の振動式トランスデューサ。   The vibratory transducer according to claim 1, wherein the second type semiconductor layer is a high concentration impurity layer. 第1型半導体基板上に第2型半導体層、第1型半導体層を順に重ねる成膜工程と、  A film forming step of sequentially stacking a second type semiconductor layer and a first type semiconductor layer on the first type semiconductor substrate;
前記第2型半導体層を含む内部領域に、上部と下部の幅が広くなっている2つの溝部を、平行に形成するエッチング工程と、  An etching step of forming, in parallel, two grooves having wide upper and lower portions in an internal region including the second type semiconductor layer;
水素雰囲気中でアニール処理を行なうアニール工程と、  An annealing process for annealing in a hydrogen atmosphere;
を有することを特徴とする振動式トランスデューサの製造方法。A method of manufacturing a vibratory transducer characterized by comprising:
前記エッチング工程は、異方性エッチング、等方性エッチングを繰り返し行なうことを特徴とする請求項4に記載の振動式トランスデューサの製造方法。  5. The method of manufacturing a vibration type transducer according to claim 4, wherein the etching step repeatedly performs anisotropic etching and isotropic etching.
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